'CONTRAT DOCTORAL PRIORITAIRE' Test et Fiabilité de systèmes basés sur le calcul approximé

par Marcello Traiola

Projet de thèse en SYAM - Systèmes Automatiques et Micro-Électroniques

Sous la direction de Alberto Bosio et de Patrick Girard.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec LIRMM - Laboratoire d'Informatique, de Robotique et de Micro-électronique de Montpellier (laboratoire) et de Département Microélectronique (equipe de recherche) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    Le calcul approximé a récemment émergé comme une approche prometteuse pour la conception des systèmes numériques à très faible consommation d'énergie. Le concept de calcul approximé repose sur la capacité de nombreux systèmes et applications (par exemple le traitement de l'image, l'exploitation de grandes masses de données, etc.) à accepter une certaine perte de qualité dans le résultat calculé. En relâchant la contrainte d'avoir des calculs entièrement précis ou complètement déterministes, les techniques de calcul approximé permettent sensiblement d'améliorer sensiblement l'efficacité énergétique. Les circuits intégrés fabriqués avec les dernières technologies nécessitent de plus en plus d'énergie pour assurer un calcul précis (sans erreurs). Ces circuits sont de plus en plus sujets à des variations paramétriques et à des défauts de fabrications, ces derniers étant liés à la nécessité d'avoir une tension d'alimentation basse et une densité d'intégration toujours plus élevée. Par conséquent, les systèmes classiques ou « précis » nécessitent l'utilisation, à différents niveaux du processus hiérarchique de conception, de mécanismes de tolérance et de correction d'erreurs, ce qui entraine une augmentation de la consommation d'énergie pour détecter et corriger ces erreurs. A contrario, accepter la présence d'erreurs, typique dans le calcul approximé, permet de réduire la consommation car on n'a plus besoin ni de la détection ni de la correction de l'erreur. D'un autre point de vue, une alternative pour réaliser des systèmes approximés se base sur la conception proprement dite de circuits approximés, cette à dire de circuits dont la structure a été modifiée. Dans ce cas, de nombreux problèmes se posent, parmi les comment tester, les déboguer et estimer la fiabilité des circuits approximés. Les objectifs de cette thèse sont les suivants : - Dans le cas des circuits classiques, la phase de test doit être reconsidérée. En effet, lorsque un circuit est déclaré fautif, il est important de déterminer si les erreurs observées peuvent être malgré tout acceptées ou pas (perte de qualité acceptable). Les résultats du test devront permettre de decider si le circuit fautif peut être considéré comme un circuit approximé ou s'il doit être rejeté. Le premier objectif de cette thèse est de proposer des solutions pour faire face à ce problème. - Les circuits approximés, par exemple les circuits arithmétiques approximés tels que les additionneurs, sont sujets à des défauts de fabrication (comme les circuits classiques). Le deuxième objectif de cette thèse est de proposer des solutions de test (structurelles et/ou fonctionnelles) innovantes pour ce type de circuits. - Pendant leur durée de vie, les circuits approximés peuvent conduire à des problèmes à cause de la perte de fiabilité. Cette dernière est due, par exemple, au phénomène de vieillissement, à l'impact de l'environnement, etc. - Le troisième objectif de cette thèse est de proposer de nouvelles solutions pour l'analyse de la fiabilité (par le biais, par exemple, des campagnes d'injection de faute), ainsi que de nouvelles solutions pour l'amélioration de la fiabilité (par exemple, des techniques de tolérance aux fautes) de ce type de circuits.

  • Titre traduit

    Test and Reliability of Approximate Computing Systems


  • Résumé

    Approximate computing has recently emerged as a promising approach to energy-efficient design of conventional digital systems. Approximate computing relies on the ability of many systems and applications (e.g. image processing, data mining, etc.) to tolerate some loss of quality or optimality in the computed result. By relaxing the need for fully precise or completely deterministic operations, approximate computing techniques allow substantially improved energy efficiency. In fact, it is increasingly energy-inefficient to ensure fault-free computation as semiconductor technology advances to nanometer regime. This is because circuits are more prone to parameter variations and faults at advanced technology node with low supply voltage and ever-increasing integration density. Consequently, conventional fault-free computing requires adding redundancies at various levels of design hierarchy for variations tolerance and errors correction, causing significant energy, performance and area overhead. Approximate computing may help to avoid such issues. On the other side, an alternative to approximate computing that employs deterministic designs to produce imprecise results is to use solutions that involve rethinking of how hardware needs to be designed to this purpose. These solutions consist in producing approximate hardware design leading to so-called “approximate circuits”. In this case, many issues, among which test, debug, reliability, etc. have to be considered. The goals of this Ph.D. thesis are threefold: - In the case of conventional circuits, it is important to characterize each design in terms of acceptable loss of quality (or imprecision-tolerance) and decide whether or not such a design can be considered as a new structurally-unmodified approximate circuit (or has to be definitively rejected after manufacturing). The first goal of this PhD thesis is to propose approximate computing solutions to deal with such problem. - When approximate circuits are considered, e.g. approximate arithmetic circuits like adders, they are prone to manufacturing defects (as conventional circuits). The second goal of this PhD thesis is to propose innovative test (structural and functional) solutions for this type of circuits. - During lifetime, these approximate circuits can lead to reliability issues due to, e.g. aging, impact of environment, etc. The third goal of this PhD thesis is to propose novel solutions for reliability analysis (through, e.g. fault injection campaigns) as well as new solutions for reliability enhancement (e.g. fault tolerant techniques) of this type of circuits.